Hierarchical carbon-encapsulated FeCo Alloy nanoparticles bridging N-doped graphene nanoribbons for efficient bifunctional oxygen electrocatalysis and rechargeable Zn-air batteries
本研究报道了一种无贵金属的分级 FeCo@C/N-GNRs 复合材料，其特征在于碳包覆的 FeCo 合金纳米颗粒桥接在氮掺杂石墨烯纳米带之间，该材料展现出卓越的双功能氧电催化性能，并能实现高性能、柔性的可充电锌空气电池。
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世界正渴求着清洁、廉价且能够为从电动汽车到腕间设备等各种产品提供动力的能源。在众多未来的竞争者中，可充电锌空气电池脱颖而出，成为一个特别有前景的候选者。这些电池就像巨大的可充电燃料电池，通过从空气中提取氧气来产生电能，其理论能量密度远高于目前大多数智能手机中所使用的锂离子电池。它们还具有本质上的安全性，并由丰富且低成本的材料制成。然而，几十年来，一个顽固的瓶颈阻碍了它们成为现实。电池内部消耗和释放氧气的化学反应极其缓慢且迟缓。为了使它们高效工作，科学家们传统上依赖于铂和铱等昂贵且稀有的金属来加速这一过程。这些材料不仅价格昂贵，而且资源稀缺，使得大规模生产大型电池变得十分困难。科学界一直在寻找一种替代品：一种既便宜、耐用，又能同样有效地促使这些困难反应快速发生的材料。
一组研究人员现在开发出了一种新的解决方案，通过将简单材料以巧妙的分层结构组合在一起，解决了这些挑战。他们创造了一种复合材料，其中微小的铁钴合金颗粒被保护性的碳壳包裹，然后用氮掺杂石墨烯条进行缝合。可以将这种结构想象成一个微观支架：石墨烯条充当强效的导电高速公路，而包裹着的金属颗粒则作为驱动化学反应的活跃“劳动力”。研究人员通过一个涉及研磨、加热和化学反应的简单过程制造出这种材料，最终生产出一种富含微小孔隙和缺陷的粉末。这些缺陷并非瑕疵，而是特性；它们创造了巨大的表面积，使电池的化学反应可以在此处进行，确保催化剂能够最大限度地接触到氧气。
当团队测试这种新材料时，结果令人瞩目。在模拟电池内部条件的实验室环境中，该材料被证明是极高效的催化剂，既适用于氧还原反应（产生电能），也适用于氧析出反应（为电池充电）。它的表现优于目前研究中使用的铂和铱的标准组合，它在驱动反应时所需的能量更少，并且能在长时间内保持反应速度。该材料的耐用性尤其值得注意；虽然传统的铂基催化剂在长期使用后失去了大部分效能，但这种新型铁钴复合材料却稳住了阵脚，仅损失了极小部分的功率。这种稳定性至关重要，因为这意味着电池可以进行数百次充电循环，而催化剂不会发生分解或溶解到电池的液体电解质中。
为了观察这种材料是否能在实际设备中工作，研究人员将其组装成了液态和柔性锌空气电池。在采用标准液体电解质的液态版本中，由这种新催化剂驱动的电池提供了 165.83 毫瓦每平方厘米的峰值功率密度，显著优于使用昂贵的铂铱混合物对比电池的表现。更重要的是，该电池在数百次充放电循环中保持了稳定，而竞争对手则过早失效。随后，研究人员将这项技术进一步推进，制造了一个适用于穿戴式电子设备的柔性版本电池。他们将催化剂夹在锌箔和碳布之间，并使用一种凝胶状电解质将一切固定在一起。即使在弯曲和扭转时，电池也能保持稳定的功率输出，这表明该材料足够坚韧，能够承受佩戴在身上或集成到衣物上的物理压力。
这种材料的成功在于其各组分之间的协同作用。铁原子和钴原子共同协作，降低了化学反应的能垒，而碳涂层则保护金属颗粒免受电池中苛刻碱性环境的腐蚀。氮掺杂石墨烯纳米带提供了一个稳定且导电的框架，防止颗粒聚集，并确保电子能够自由移动。通过结合这些元素，研究人员创造出了一种不仅活性极高而且异常耐用的催化剂。这项工作为开发廉价、高性能储能系统指明了一条清晰的道路。如果这些发现能够实现规模化应用，这种新材料将有助于将可充电锌空气电池从实验室带入到为我们的日常生活提供动力的设备中，为我们现有的电池技术提供一种可持续的替代方案。
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